RU97005U1

RU97005U1 - DEVICE FOR FORMING SURFACE ALLOYS

Info

Publication number: RU97005U1
Application number: RU2010116185/07U
Authority: RU
Inventors: Григорий Евгеньевич Озур; Алексей Борисович Марков; Александр Григорьевич Падей
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Микросплав" (ООО "Микросплав")
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-08-20

Abstract

Устройство для формирования поверхностных сплавов на изделиях, включающее импульсную электронную пушку и одно или более устройств для нанесения покрытий ионно-плазменным способом на обрабатываемые изделия, отличающееся тем, что электронная пушка и устройства для нанесения покрытий смонтированы на общей вакуумной камере, снабженной манипулятором, перемещающим обрабатываемые изделия от электронной пушки к устройствам для нанесения покрытий и обратно. A device for forming surface alloys on products, including a pulsed electron gun and one or more devices for applying ion-plasma coatings to the processed products, characterized in that the electronic gun and coating devices are mounted on a common vacuum chamber equipped with a manipulator that moves the processed products from electronic guns to coating devices and vice versa.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области модификации поверхностных слоев материалов и может быть использована для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, антифрикционных свойств и др.) с конечной целью повышения эксплуатационных характеристик различных изделий, например, высоковольтных вакуумных выключателей, металлических зубных протезов и имплантатов, пар трения.The proposed utility model relates to the field of modification of surface layers of materials and can be used to improve their physicochemical properties (corrosion resistance, antifriction properties, etc.) with the ultimate goal of improving the operational characteristics of various products, for example, high-voltage vacuum circuit breakers, metal dentures and implants, friction pairs.

Известен способ формирования поверхностных сплавов, осуществляемый в едином вакуумном цикле, с использованием импульсного сильноточного электронного пучка [1]. В данном способе напыление осуществляется самим пучком при испарении сетчатой или проволочной «прострельной» мишени, располагаемой на пути пучка в области его максимальной плотности энергии. Изделие при этом располагается далее по ходу пучка (за мишенью) в области меньшей плотности энергии, достаточной, однако, для плавления поверхностного слоя подложки и/или наносимого покрытия. Такой способ характеризуется значительной абляцией мишени, неравномерностью покрытия за счет нанесения крупных капель, а также низкой эффективностью использования материала мишени, так как доля испаренного материала, попадающего на изделие очень низка (доли-единицы процентов). Более эффективным с точки зрения качества покрытия представляется раздельное нанесение покрытия и его вплавление пучком.A known method of forming surface alloys, carried out in a single vacuum cycle, using a pulsed high-current electron beam [1]. In this method, the sputtering is carried out by the beam itself upon evaporation of a mesh or wire “shot” target located in the path of the beam in the region of its maximum energy density. In this case, the product is located further along the beam (behind the target) in the region of lower energy density, however, sufficient for melting the surface layer of the substrate and / or the applied coating. This method is characterized by significant ablation of the target, uneven coating due to the application of large droplets, as well as low efficiency of the use of the target material, since the fraction of vaporized material falling on the product is very low (fractions-percent). From the point of view of the quality of the coating, separate coating and its fusion with a beam seem to be more effective.

Известны различные устройства для нанесения покрытий ионно-плазменным методом, например, на основе вакуумного дугового разряда [2] или магнетронного разряда [3]. Одной из важнейших проблем здесь часто является недостаточное сцепление покрытия с изделием (адгезия) покрытия, обусловленная, прежде всего, различием физико-химических свойств материала изделия и материала покрытия. Лучшая адгезия покрытия может быть достигнута путем его последующего вплавления импульсным пучком, например, электронным. Путем вплавления предварительно нанесенного покрытия можно не только улучшить его адгезию, но и сформировать поверхностный сплав, свойства которого отличаются как от свойств материала изделия, так и от свойств материала покрытия.There are various devices for coating by the ion-plasma method, for example, based on a vacuum arc discharge [2] or magnetron discharge [3]. One of the most important problems here is often the lack of adhesion of the coating to the product (adhesion) of the coating, due primarily to the difference in the physicochemical properties of the product material and the coating material. The best adhesion of the coating can be achieved by its subsequent fusion with a pulsed beam, for example, electronic. By fusing the previously applied coating, it is possible not only to improve its adhesion, but also to form a surface alloy, the properties of which differ both from the properties of the product material and from the properties of the coating material.

Для реализации процесса вплавления можно использовать любые источники концентрированного потока энергии, например, электронные, ионные и лазерные пушки, генерирующие интенсивные импульсные пучки, способные расплавить поверхностный слой облучаемого материала. В частности, можно использовать электронную пушку, известную по способу [4], содержащую взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод отражательного разряда типа Пеннинга для формирования плазменного анода, коллектор и металлический корпус, электрически соединенный с коллектором и играющий роль обратного токопровода. Использование плазменного анода существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном промежутке той же протяженности, что обеспечивает получение сильноточных (до 30 кА) электронных пучков с плотностью энергии достаточной для плавления поверхностного слоя толщиной до нескольких микрон даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ).To implement the fusion process, you can use any source of concentrated energy flow, for example, electron, ion and laser guns that generate intense pulsed beams that can melt the surface layer of the irradiated material. In particular, it is possible to use an electron gun, known by the method [4], containing an explosion-emission cathode, a Penning type reflective ring anode for forming a plasma anode, a collector and a metal casing electrically connected to the collector and playing the role of a reverse current conductor. The use of a plasma anode significantly increases the perveance of the electron beam compared to the stream in a vacuum gap of the same length, which ensures the production of high-current (up to 30 kA) electron beams with an energy density sufficient to melt the surface layer up to a few microns thick even at relatively low accelerating voltages ( tens of kV).

Помещая обрабатываемую деталь или образец поочередно в рабочую камеру устройства для нанесения покрытий и в рабочую камеру электронно-пучковой установки можно создавать поверхностные сплавы путем электронно-пучкового жидкофазного миксинга нанесенных покрытий с подложкой и между собой [5].By placing the workpiece or sample in turn in the working chamber of the coating device and in the working chamber of the electron-beam installation, surface alloys can be created by electron-beam liquid-phase mixing of the deposited coatings with the substrate and with each other [5].

Недостатком такого метода является необходимость переноса обрабатываемого изделия из одного устройства в другое, что снижает качество формируемого поверхностного сплава вследствие контакта поверхности с атмосферным воздухом, снижает производительность труда вследствие увеличения затрат времени на откачку рабочих камер, а также затрат на их изготовление.The disadvantage of this method is the need to transfer the workpiece from one device to another, which reduces the quality of the formed surface alloy due to surface contact with atmospheric air, reduces labor productivity due to increased time spent on pumping working chambers, as well as the cost of their manufacture.

Задача, решаемая в заявляемой полезной модели - повышение качества поверхностных сплавов и увеличение производительности труда.The problem to be solved in the claimed utility model is to improve the quality of surface alloys and increase labor productivity.

Техническим результатом заявляемой полезной модели отсутствие контакта обрабатываемого изделия с атмосферным воздухом в промежутках между нанесением покрытия и его вплавлением, а также снижение затрат времени на откачку рабочих камер и их изготовлением.The technical result of the claimed utility model is the absence of contact of the workpiece with atmospheric air in the intervals between coating and its fusion, as well as reducing the time spent on pumping the working chambers and their manufacture.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования поверхностных сплавов на изделиях, включающем импульсную электронную пушку и одно или более устройств для нанесения покрытий ионно-плазменным способом на обрабатываемые изделия, согласно полезной модели, электронная пушка и устройства для нанесения покрытий смонтированы на общей вакуумной камере, снабженной манипулятором, перемещающим обрабатываемые изделия от электронной пушки к устройствам для нанесения покрытий и обратно.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for the formation of surface alloys on products, including a pulsed electron gun and one or more devices for coating the ion-plasma method on the processed products, according to a utility model, the electron gun and coating devices are mounted on a common a vacuum chamber equipped with a manipulator that moves workpieces from an electronic gun to coating devices and vice versa.

Данное устройство позволяет осуществлять предварительную очистку поверхности, нанесение покрытий и их сплавление с подложкой и между собой в едином вакуумном цикле. При установке нескольких устройств для нанесения покрытий возможно создание покрытий и поверхностных сплавов сложного состава.This device allows you to pre-clean the surface, coating and fusing them with the substrate and with each other in a single vacuum cycle. When installing multiple coating devices, it is possible to create coatings and surface alloys of complex composition.

На Фиг.1 приведена принципиальная конструктивная схема реализованной установки. Устройство 1 для нанесения покрытий на основе вакуумной дуги или магнетронного разряда и импульсная электронная пушка 2 смонтированы на рабочей вакуумной камере 3 на одной линии и их выходные апертуры обращены в сторону подвижного рабочего стола 4, на котором располагается обрабатываемая деталь 5. Малоиндуктивный сильноточный электрический контакт рабочего стола 4 с камерой обеспечивается четырьмя медными стержнями 6, перемещаемыми перпендикулярно столу механически или пневматически. Стол приводится в движение с помощью шестерни 7, жестко закрепленной на валу, вращаемого с помощью электродвигателя через вакуумное уплотнение манжетного типа. Рабочий стол 4 с его направляющими рельсами и приводом составляют манипулятор.Figure 1 shows a schematic structural diagram of an implemented installation. The device 1 for coating on the basis of a vacuum arc or magnetron discharge and a pulsed electron gun 2 are mounted on the working vacuum chamber 3 on the same line and their output apertures are directed towards the movable working table 4, on which the workpiece 5 is located. Low-inductance high-current electric contact of the worker table 4 with the camera is provided by four copper rods 6, movable perpendicular to the table mechanically or pneumatically. The table is driven by a gear 7, rigidly mounted on a shaft, rotated by an electric motor through a vacuum seal cuff type. The desktop 4 with its guide rails and the drive make up the manipulator.

Формирование поверхностных сплавов на изделиях в заявляемом устройстве производится следующим образом. В рабочей камере 3 создается вакуум, а затем в нее напускается рабочий газ (обычно аргон) до необходимого давления. Обрабатываемая деталь 5 подается в зону обработки электронным пучком электронной пушкой 2, медные стержни 6 прижимаются к рабочему столу 4. Включается импульсная электронная пушка 2, и происходит предварительная очистка поверхности детали 5. Затем электронная пушка 2 выключается, медные стержни 6 отжимаются, освобождая рабочий стол 4 для перемещения детали 5 в область нанесения покрытия устройством 1. После остановки стола в зоне нанесения покрытия устройством 1, которое включается и на поверхность детали наносится покрытие заданной толщины. Устройство 1 выключается, деталь 5 возвращается в зону действия электронной пушки 2, медные стержни снова прижимаются к столу 4. Электронная пушка 2 включается, под действием пучка, формируемого в ней, осуществляется сплавление покрытия с деталью 5, т.е. формирование поверхностного сплава на ней. Процессы напыления и вплавления могут циклически повторяться. При необходимости создания поверхностных сплавов сложного состава на рабочей камере 3 могут быть установлены дополнительные устройства для нанесения покрытий.The formation of surface alloys on products in the inventive device is as follows. A vacuum is created in the working chamber 3, and then a working gas (usually argon) is introduced into it to the required pressure. The workpiece 5 is fed into the electron beam processing zone by the electron gun 2, the copper rods 6 are pressed against the working table 4. The pulse electron gun 2 is turned on, and the surface of the part 5 is preliminarily cleaned. Then the electron gun 2 is turned off, the copper rods 6 are wrung out, freeing the desktop 4 to move the part 5 to the coating area of the device 1. After stopping the table in the coating zone by the device 1, which is turned on and a coating of a given thickness is applied to the surface of the part. The device 1 turns off, the part 5 returns to the zone of action of the electron gun 2, the copper rods are pressed again to the table 4. The electron gun 2 is turned on, under the action of the beam formed in it, the coating is fused with part 5, i.e. formation of a surface alloy on it. Spraying and fusion processes can be cyclically repeated. If you need to create surface alloys of complex composition on the working chamber 3 can be installed additional devices for coating.

Таким образом, данное устройство полностью устраняет контакт обрабатываемого изделия с атмосферным воздухом в промежутках между нанесением покрытия и его вплавлением, а также снижение затрат времени на откачку рабочих камер и их изготовление, что повышает качество поверхностных сплавов и увеличивает производительность труда.Thus, this device completely eliminates the contact of the workpiece with atmospheric air in the intervals between coating and its fusion, as well as reducing the time required for pumping the working chambers and their manufacture, which increases the quality of surface alloys and increases labor productivity.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на полезную модель:Sources of information taken into account when drawing up an application for a utility model:

1. Д.С.Назаров, Г.Е.Озур, Д.И.Проскуровский, В.П.Ротштейн, В.А.Шулов. Способ формирования поверхностных сплавов. - Патент РФ (19) RU (11) 2111281 С1. Заявл. 10.01.97. БИ №14, 1998, с.138.1. D.S. Nazarov, G.E. Ozur, D.I. Proskurovsky, V.P. Rotshtein, V.A. Shulov. The method of forming surface alloys. - RF patent (19) RU (11) 2111281 C1. Claim 01/10/97. BI No. 14, 1998, p.138.

2. J.Berthold, Т.Witke, P.Siemroth, Vacuum arc evaporator, US 6361663, DE 19924094, США, Германия, С23С 14/32.2. J. Berthold, T. Witke, P. Siemroth, Vacuum arc evaporator, US 6361663, DE 19924094, USA, Germany, C23C 14/32.

3. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1: Введение в физику и технику магнетронного распыления. Киев, Аверс, 2008, 244 с.3. Kuzmichev A.I. Magnetron Spray Systems. Book 1: Introduction to the physics and technology of magnetron sputtering. Kiev, Obverse, 2008, 244 p.

4. Озур Г.Е., Окс Е.М., Проскуровский Д.И. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки // Патент РФ (19) RU (11) 1706329 H01J 3/02. Заявл. 09.01.89. - БИ №10. - 1994. - С.203.4. Ozur G.E., Oks E.M., Proskurovsky D.I. The method of forming electron beams using an explosive emission electron gun // RF Patent (19) RU (11) 1706329 H01J 3/02. Claim 01/09/89. - BI No. 10. - 1994. - P.203.

5. A.V.Batrakov, А.В.Markov, G.E.Ozur, D.I.Proskurovsky, V.P.Rotshtein. Surface alloying of metallic substrates with pre-deposited films through a pulsed electron-beam mixing, The European Physical Journal Applied Physics, volume 43, issue 3, 2008, pp. 283-288.5. A.V. Batrakov, A.V. Markov, G.E. Ozur, D.I. Proskurovsky, V.P. Rotshtein. Surface alloying of metallic substrates with pre-deposited films through a pulsed electron-beam mixing, The European Physical Journal Applied Physics, volume 43, issue 3, 2008, pp. 283-288.

Claims

A device for forming surface alloys on products, including a pulsed electron gun and one or more devices for applying ion-plasma coatings to the processed products, characterized in that the electronic gun and coating devices are mounted on a common vacuum chamber equipped with a manipulator that moves the processed products from electronic guns to coating devices and vice versa.